Fisiologia generale

Specializzazioni delle membrane

N.B. Un altro modo per rimanere in punti specifici della cellula è quello di ancorarsi al citoscheletro e rimanere quindi stabilizzate. La prima proteina ad essere identificata che si ancora con questo metodo è il 3- -trasportatore di anioni HCO /Cl . 11 Una delle caratteristiche delle membrane, che negli ultimi anni è stato molto studiato sono i lipidi raft, tradotto zattere lipidiche. Questi domini raft sono ben identificabili perché sono caratterizzate da una composizione particolare di fosfolipidi. Inoltre, sono ricchi di glicolipidi e quindi caratterizzano delle membrane all'interno della membrana un po' diverse dal resto della loro organizzazione. In questi domini vanno ad inserirsi delle proteine particolari che possono essere sia proteine strutturali, che recettori, e costituiscono quindi dei punti di segnalazione particolari, molto importanti per funzioni di trasduzione del segnale. o Caveolee le fossette rivestite sono altre strutture presenti sulla membrana cellulare. Le fossette rivestite sono formate da una proteina chiamata clatrina, che si associa alla membrana formando una struttura a forma di fossa. Queste fossette rivestite sono coinvolte nel processo di endocitosi, che permette alla cellula di internalizzare molecole e particelle dall'ambiente esterno. Le caveole e le fossette rivestite sono importanti per il funzionamento e la regolazione delle cellule. Le caveole, grazie alla presenza delle caveoline, permettono la formazione di microdomini sulla membrana cellulare, che possono essere utilizzati per l'accumulo e il rilascio di sostanze necessarie per la cellula. Le fossette rivestite, invece, sono coinvolte nell'internalizzazione di molecole e particelle attraverso il processo di endocitosi. In conclusione, le caveole e le fossette rivestite sono due strutture presenti sulla membrana cellulare che svolgono importanti funzioni nella regolazione del traffico di molecole e particelle all'interno della cellula.si va a posizionare nel lato citoplasmatico della vescicola e la irrigidisce fino a che questa non si stacca dalla membrana. ¹²Diffusione La membrana è importante perché seleziona le sostanze che possono entrare o uscire dalle cellule, e questo può avvenire seguendo metodiche diverse che dipendono soprattutto dalle caratteristiche chimico-fisiche della molecola che deve attraversare il doppio strato. Avviene quindi una dispersione di molecole in sospensione o in soluzione da zone a concentrazione più alta ad altre a concentrazione più bassa determinata dal loro movimento termico casuale. In altre parole, le molecole seguono il loro gradiente di concentrazione. La diffusione viene regolata dall'equazione di Fick, che in particolare regola tutte quelle cellule che si trovano all'interno della cellula e nel liquido extracellulare, ossia senza una barriera. La calcoliamo in termini di velocità, ovvero la quantità di soluto Q sul tempo.(t).sQuesto dipenderà ovviamente da dei parametri, ovvero il coefficiente di diffusibilità del soluto D, l'area della sezione trasversa che la molecola deve attraversare (A) ed è inversamente proporzionale al rapporto fra la differenza di concentrazione, tra i due compartimenti (dC), fratto la distanza che il soluto deve percorrere (dx).

Flusso di membrana

Il passaggio verso l'interno della cellula però è ostacolato dalla membrana che rappresenta sempre un filtro che dev'essere attraversato. In questo caso quindi non si parlerà di diffusione ma di flusso (formula sopra).

Ovviamente, quando una sostanza attraversa la membrana passivamente, seguirà le regole della diffusione e dipenderà dalla concentrazione di quella sostanza. Se non esiste una differenza di concentrazione vorrà dire che avrò due flussi bidimensionali delle diverse sostanze uguali e contrari.

Se voglio studiare un flusso direzionale

all'interno della membrana devo tener conto della permeabilità della membrana a quella sostanza, ovvero la probabilità con cui una molecola di una particolare sostanza attraverserà la membrana (costante di permeabilità P). N.B. Il flusso si applica solo a sostanze che non vengono trasportate attivamente.

Osmosi

Il solvente principale nel nostro organismo è l'acqua e anche questa attraversa le membrane.

Il concetto di osmosi è alla base del movimento netto di acqua attraverso le membrane e gli epiteli.

Il primo a studiare a fondo il processo dell'osmosi fu un abate di nome Jean Antoine Nollet, che oltretutto coniò anche il termine "osmosi" che significa "spingere".

Per capire il concetto di osmosi prendiamo in considerazione un becher pieno di acqua diviso in due da una membrana. Da un lato c'è acqua pura mentre dall'altro c'è una soluzione, ad esempio, di cloruro di

sodio. Questa membrana però è impermeabile a Na e Cl, quindi queste due sostanze non possono attraversare la membrana.

Le due soluzioni sono in disequilibrio e hanno una concentrazione diversa, sia di soluti (Na e Cl) che di solvente, quindi l'acqua. Ciò che ne consegue quindi, che essendo esclusivamente permeabile all'acqua, la membrana permetterà il passaggio solo a quest'ultima: dalla zona a più alta concentrazione (di acqua) a quella più bassa (quindi dalla zona meno concentrata di soluto, a quella più concentrata).

N.B. Avremo inizialmente un flusso netto di acqua, poi un flusso bidirezionale e infine il flusso da un compartimento all'altro sarà pari a 0, si raggiungerà un equilibrio. Le due pressioni idrostatiche saranno uguali e contrarie.

Pressione osmotica

Quindi il flusso di acqua va a determinare quella che è la pressione osmotica (p).

Questa è direttamente proporzionale alla:

differenza di concentrazione (C) dell'acqua- temperatura (T) assoluta (in gradi Kelvin) che aumenta agitazione termica delle molecole. Osmolarità L'osmolarità di una soluzione dipende dalla concentrazione del soluto. Possiamo descrivere l'osmolarità di una soluzione paragonandola ad un'altra. La soluzione sarà:

• Isosmotica: se presenta la stessa concentrazione di soluto dell'altra soluzione
• Iposmotica: se presenta una concentrazione minore
• Iperosmotica: se invece presenta una concentrazione maggiore

Questa differenza di concentrazione è quella che determina poi lo spostamento di acqua e di conseguenza ne determina la tonicità. Tonicità La tonicità di una soluzione si definisce in base al comportamento di cellule e tessuti immersa in essa. Può essere:

• Isotonica: le cellule immerse non variano. Non si rigonfiano né si restringono.
• Ipotonica: cellule immerse si rigonfiano perché

L'acqua entra. Osmotica: le cellule immerse si espandono e l'acqua entra. Ipertonica: le cellule immerse si restringono e l'acqua esce.

N.B. La differenza tra osmolarità e tonicità è che l'osmolarità definisce il numero di particelle di un soluto in un volume di soluzione ed è misurabile (osm/l) attraverso un osmometro. La tonicità non ha unità di misura, è solo un termine di paragone e descrive un comportamento.

Regolazione del volume cellulare. Il globulo rosso ci permette più o meno di capire questi processi e inoltre ci permette di capire in che modo la cellula cerca di compensare a queste differenze di osmolarità. Le cellule, infatti, cercano di regolare la propria omeostasi e non subiscono (nei limiti) passivamente questa entrata di acqua cercando di tamponare il rigonfiamento o il raggrinzimento. Se la cellula si trova in un mezzo ipotonico, entrerà acqua e si rigonfierà. Questo indurrà all'interno della cellula dei meccanismi omeostatici.

Che determineranno l'uscita dei soluti, come Na e Cl, consumando energia. Questo determinerà a sua volta l'uscita di acqua. Al contrario, se la cellula si trova in una condizione di ipertonicità e si restringe, tenderà a far entrare soluti (Na e Cl) per far entrare di conseguenza acqua e regolare la propria omeostasi.

Equilibrio di Donnan

All'interno della cellula, comunque, la situazione non è così semplice, infatti, le membrane cellulare oltre all'acqua fanno passare anche specifici soluti, e questo ovviamente complica le cose.

Il primo a studiare questi meccanismi fu Frederick Donnan.

Gli ioni che troviamo maggiormente all'interno delle cellule sono quattro (importantissimo):

• Na+
• Cl-
• K+
• Ca2+

I primi tre sono quelli per cui le cellule sono maggiormente permeabili e possono attraversare la membrana grazie a canali, ma comunque passivamente, quindi senza dispendio di energia.

In ogni caso, questi ioni portano anche delle cariche, ed

è proprio su questo che Donnan concentrò la suaattenzione. Egli capì che lo spostamento di questi ioni tendeva sempre a un’elettroneutralità.Effettuò infatti un esperimento in cui abbiamo il becher diviso da una membrana semipermeabile:impermeabile all’acqua, e permeabile ai Sali che sono stati disciolti (cloruro di potassio).Questi due ioni sono carichi elettricamente e vengono messi solo in un compartimento.Avremo quindi un flusso determinato dalla differenza di concentrazione dove Cl e K diffonderanno dalcompartimento I a quello II, fino a raggiungere un equilibrio. Questo però deve soddisfare anchel’equilibrio di carica, quindi questi ioni, positivi e negativi, si sposteranno accoppiati e si raggiungerà diconseguenza un’elettroneutralità.Questo equilibrio si raggiunge quando:

N.B.Le cellule però hanno una loro negatività interna che lecontraddistingue, data ad esempio dai gruppi negativi

dellafosfatidilserina o dai gruppi carbossilici delle proteine. Donnan intuì questo concetto e infatti ipotizzò: se in uno dei due compartimenti ho un anione (-) che non può diffondere attraverso la membrana, nell'altro compartimento avrò più K per contrastare la carica negativa. Stesso concetto vale per il Cl che si sposterà maggiormente nell'altro compartimento, sempre per compensare la carica (-). L'equilibrio si raggiunge quando si arriva all'elettroneutralità a discapito delle concentrazioni. La situazione poi si complica ulteriormente, perché essendo la membrana permeabile anche all'acqua, questa tenderà a spostarsi nel compartimento più concentrato di ioni, quindi il compartimento I. In una cellula l'elettroneutralità di Donnan non esiste (leggi e impara le concentrazioni degli)